近海采油平臺岸基供電系統(tǒng)成本效益優(yōu)化

朱亮亮,胡文博,齊 蓓,宋文樂,王 磊,張佳麗,魏永長

(1.南瑞集團有限公司/國網(wǎng)電力科學研究院有限公司,江蘇 南京 215200;2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢能效測評有限公司,湖北 武漢 430074;3.國網(wǎng)河北省電力有限公司 滄州供電分公司,河北 滄州 061000;4.中南財經(jīng)政法大學 工商管理學院,湖北 武漢 430073)

近海采油在保障石油資源需求中發(fā)揮著重要作用,但其經(jīng)濟與環(huán)境效益尚不夠明朗[1-2]。目前,大多數(shù)海上采油平臺的供電都是基于油氣燃燒的自發(fā)電發(fā)電系統(tǒng),這能夠在一定程度上滿足近海采油平臺的電力供應(yīng),但是存在能耗大、污染重、成本高、負荷小、可靠性低等突出問題[3]。岸基供電則是將陸上電力通過海底電纜輸送至近海采油平臺,具有便捷性、高可控性、清潔性、低損耗性等優(yōu)點,為解決傳統(tǒng)自發(fā)電存在的一系列問題提供了有效的解決方案。目前,我國岸電技術(shù)主要應(yīng)用于港口船舶,近海采油岸基供電項目建設(shè)中的應(yīng)用尚處于起步探索階段,岸基供電的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益測算、成本分攤與收益共享等問題缺乏系統(tǒng)研究,一定程度上阻礙了近海采油岸電項目的普及。

目前,岸電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益相關(guān)研究主要集中在船舶岸電系統(tǒng)。一方面,部分學者建立指標測算岸基供電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益與社會效益[4-5]。例如,顏明東等[6]以寧波港為例,研究船舶在港岸基供電對節(jié)能減排的影響,著重測算了各種污染物的減排量。YIN等[7]構(gòu)建了船舶岸基供電的投資收益模型,并以上海港口的數(shù)據(jù)進行了驗證。另一方面,部分學者在考慮成本與效益的基礎(chǔ)上,對船舶岸電系統(tǒng)的投資和定價等決策問題進行了研究[8-9]。例如,吳俊妮等[10]根據(jù)船舶公司、港口和政府3個利益相關(guān)方建立兩階段和三階段動態(tài)博弈模型,分析使用岸基供電系統(tǒng)對各利益主體的社會和經(jīng)濟效益的影響。

綜上,有關(guān)近海采油平臺岸基供電系統(tǒng)的研究很少[11],近海采油平臺岸基供電系統(tǒng)的經(jīng)濟與環(huán)境效益的測算與船舶岸基供電有著顯著的不同。因此,構(gòu)建包含采油平臺、政府、電網(wǎng)公司三方主體的成本-效益模型,進行投資回報分析,并構(gòu)建系統(tǒng)整體收益最大化模型,以求解最優(yōu)的供電價格和補貼比例,以期為盡快收回投資成本、實現(xiàn)整體收益最大化提供決策支持。

1 基本假設(shè)

考慮包含政府部門、采油平臺、電網(wǎng)公司三方利益主體的近海采油平臺岸基供電系統(tǒng),其中政府部門向電網(wǎng)公司和采油平臺提供補貼,推動岸基供電系統(tǒng)建設(shè),以達到節(jié)能降碳目的;電網(wǎng)公司向采油平臺進行供電,提供管理維護等專業(yè)化技術(shù)服務(wù);采油平臺向電網(wǎng)公司支付服務(wù)費與供電成本。

假設(shè)4在岸基供電模式下,為確保電力穩(wěn)定供應(yīng),采油平臺同時采用燃氣發(fā)電供電方式和岸基供電方式,每年供電時長為T,其中電網(wǎng)供應(yīng)時長為αT,燃氣發(fā)電機供應(yīng)時長為(1-α)T。建設(shè)采油平臺總供電總?cè)萘繛閃total。

2 成本效益分析

2.1 成本效益分析

電網(wǎng)公司承擔的成本包括陸上供電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本、每年的設(shè)施維護成本和向采油平臺提供的服務(wù)成本。電網(wǎng)公司承擔的成本現(xiàn)值為:

(1)

式中:γ1為電網(wǎng)公司折現(xiàn)率;N為電網(wǎng)公司建設(shè)運營周期。

電網(wǎng)公司的主要收益來源于其向采油平臺收取的服務(wù)費和售電差價收入,其收入現(xiàn)值為:

(2)

采油平臺的收益主要來自于發(fā)電成本節(jié)約、排污成本節(jié)約和增值服務(wù)收益。采油平臺在使用岸基供電前的年燃油發(fā)電成本為:

(3)

式中:ξfuel為燃油發(fā)電效率;pf為燃油價格。采用岸基供電后,采油平臺每年的發(fā)電總成本為:

(1-β2)pg×10-4

(4)

每年節(jié)省的燃油總成本為:

ΔCgas=αT×Wtotal×[ξfuel×pf×10-10-

pg×(1-β2)×10-4]

(5)

采用燃油發(fā)電會排放CO2、SO2等多種污染物,相比之下,使用岸電項目每年節(jié)約的排污費為:

(6)

式中:τi為第i種污染物的燃油發(fā)電排放率;λi為第i種污染物排污征收稅率。

(7)

(8)

式中:υgas為采油平臺獲得的增值收益。

政府部門的成本包括給電網(wǎng)公司提供電力設(shè)施建設(shè)補貼和對采油平臺的電力補貼成本,其補貼成本現(xiàn)值為一次性建設(shè)成本與電價補貼成本的現(xiàn)值:

(9)

2.2 投資回報分析與整體優(yōu)化模型

ln[αT×Wtotal×(pg-pl)×10-4+ps-cs-

(10)

同理,采油平臺的投資收回年限Ngas為:

(11)

定義電網(wǎng)公司的利潤函數(shù)為:

(12)

采油平臺的利潤函數(shù)為:

(13)

基于上述分析,建立整體收益最大化模型:

(14)

s.t.

該優(yōu)化模型的目標函數(shù)為規(guī)劃期內(nèi)總體收益現(xiàn)值。前2個約束代表電網(wǎng)和采油平臺的收益必須大于零;第3個約束條件代表政府的成本投入不超出上界Hgov;第4個不等式約束代表對采油平臺的供電價格存在邊界;第5個不等式約束代表采油平臺能夠接受的服務(wù)價格要高于電網(wǎng)公司的服務(wù)成本,但要低于服務(wù)帶來的收益。由于目標函數(shù)和約束項包含非線性項,故該優(yōu)化模型本質(zhì)上是一個非線性優(yōu)化模型。

3 成本效益分析

3.1 投資收益分析

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置,計算出差額電價收入為68 985萬元/年,遠高于電力設(shè)施建設(shè)費、維護費、技術(shù)服務(wù)成本。因此,對于電網(wǎng)公司而言,由于岸電項目的建設(shè)成本由采油平臺承擔,該項目的獲利性良好,很容易收回投資成本。投資收回年限分析結(jié)果如圖1所示,可以看出供電價格越高,采油平臺收回投資的周期越長,而增加政府補貼可以顯著縮短投資收回年限,其根本原因在于政府補貼可以彌補高昂的油氣開采成本。

圖1 投資收回年限分析結(jié)果

建設(shè)運營周期對采油平臺收益的影響如圖2所示,可以看出當無政府補貼或政府補貼較低時,采油平臺有可能一直沒法收回收益,而當政府補貼較高時,建設(shè)運營周期越長,收益現(xiàn)值越高。

圖2 建設(shè)運營周期對采油平臺收益的影響

4.1 優(yōu)化模型求解

由于優(yōu)化模型的目標函數(shù)和約束項中含有非線性項β2pg,是一個非線性優(yōu)化模型,故根據(jù)定期存款利率,設(shè)置政府部門的投資回報率:1年期為1.75%;2年期為2.25%;3年期為2.75%;5年期及以上為2.75%。對于特定的β2,優(yōu)化模型為線性規(guī)劃模型?；贛atlab R2015的線性規(guī)劃求解器的計算結(jié)果,建設(shè)運營周期和政府補貼對電網(wǎng)公司、采油平臺及整體收益的影響如圖3所示。

圖3 基于優(yōu)化模型求解的各主體收益分析

由圖3可知,對采油平臺的政府補貼具有傳導(dǎo)效應(yīng),不僅可以增加電網(wǎng)公司收益,也可以增加采油平臺收益。由于模型的非線性特點,當政府補貼較低時,更加有利于增加電網(wǎng)公司收益;當政府補貼較高時,會增加采油平臺的收益。此外,建設(shè)運營周期越長,電網(wǎng)公司和采油平臺的收益會明顯增加。

3 結(jié)論

(1)圍繞近海采油岸基供電的成本效益評估問題,構(gòu)建多主體的成本-效益評估模型,通過收益現(xiàn)值分析電網(wǎng)公司和采油平臺的投資收回年限,并構(gòu)建整體收益現(xiàn)值最大化模型。

(2)政府補貼和能源價格可以有效提升電網(wǎng)公司向采油平臺的供電價格。增加政府補貼可以顯著縮短投資收回年限,其根本原因在于政府補貼有效彌補了昂貴的油氣開采成本。

(3)在政府補貼受限的情形下,伴隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展,電網(wǎng)公司及其他技術(shù)服務(wù)公司向采油平臺提供增值服務(wù)是未來重要的發(fā)展方向;從整體最優(yōu)的角度來看,對采油平臺的政府補貼具有傳導(dǎo)效應(yīng),不僅可以增加電網(wǎng)公司收益,也可以增加采油平臺的收益,研究充分反映了政府補貼在提升近海采油平臺岸基供電綜合效益中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。